多组分中间层调控激光焊接铝/钢接头微观结构与力学性能的机理研究

《Results in Engineering》：Microstructural Evolution and Mechanical Performance of Laser-Welded Aluminum Alloy/Steel Joints with a Multi-Component Interlayer

本文针对铝/钢异种材料激光焊接中脆性Fe-Al金属间化合物（IMC）层导致的接头脆性难题，提出采用Al80Mg14Zn2.5Cu2.5Si1.0多组分中间层，通过抑制?-Fe2Al5相生长、促进纳米晶-非晶复合结构形成，将接头抗拉强度提升至147±3 MPa，弯曲角提高至127°，实现了脆性-韧性混合断裂模式的转变，为轻量化结构制造提供了新策略。

　　

随着节能减排需求的日益迫切，轻量化设计成为航空航天、汽车制造等领域的核心发展方向。铝（Al）合金因其低密度、优良耐腐蚀性备受青睐，而钢（Steel）则以高强度和刚度著称。将二者结合形成铝/钢（Al/steel）复合结构，可实现材料性能的优势互补，显著减轻构件重量。然而，铝与钢的物理化学性质差异巨大——熔点、热膨胀系数迥异，导致焊接过程中易形成脆性的铁铝金属间化合物（Intermetallic Compounds, IMCs），尤其是?-Fe₂Al₅和θ-Fe₄Al₁₃相。这些IMCs如同界面上的“硬壳”，极易引发裂纹，使接头强度骤降甚至低於铝基体本身，严重制约了铝/钢复合结构的工程化应用。

为攻克这一瓶颈，新疆大学机械工程学院的He Zhou与Jianping Zhou在《Results in Engineering》发表研究，创新性地设计了一种Al₈₀Mg₁₄Zn_2.5Cu_2.5Si_1.0多组分中间层，通过激光焊接技术实现6082-T6铝合金与SUS301L不锈钢的高质量连接。该研究不仅显著提升了接头力学性能，更从原子尺度揭示了界面微观结构演化规律与断裂机理。

关键技术方法包括：采用真空感应熔炼制备多组分中间层；通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）结合能谱仪（EDS）分析界面微观结构与元素分布；借助选区电子衍射（SAED）和高分辨TEM（HRTEM）鉴定物相与晶体学关系；基于Bramfitt二维晶格失配理论量化界面相容性；通过拉伸试验与三点弯曲试验评价接头力学性能。

3.1 宏观/微观结构分析

研究通过对比有无中间层的接头形貌发现，添加中间层后焊缝表面塌陷现象显著改善。微观分析表明，中间层的引入使界面元素互扩散层厚度控制在约7 μm，远低於易引发脆性的临界值（10 μm）。TEM分析揭示界面为多层复合结构：紧邻钢侧为?-Fe₂Al₅（厚度约600 nm）和零星θ-Fe₄Al₁₃针状相；其外侧为约1 μm厚的晶态Fe₁₈Al₇₈层；铝侧则分布着岛状非晶Fe₁₈Al₇₈区域，其中嵌有纳米晶，形成纳米晶-非晶复合结构。这种结构转变归因於多组分中间层的高熵效应与迟缓扩散效应，有效抑制了脆性IMCs的过度生长。

3.2 接头力学性能

力学测试结果表明，中间层的加入使接头抗拉强度从102±2 MPa提升至147±3 MPa。三点弯曲试验中，无中间层时接头在60°即出现裂纹，而有中间层时可弯曲至127°无裂纹。断口分析显示，无中间层时断裂发生在焊缝/钢界面，呈现解理台阶等脆性特征；而有中间层时断裂位置转移至焊缝区，断口中心出现细小韧窝，表明断裂模式从纯脆性转变为脆-韧性混合模式。

3.3 力学性能提升机理

通过HRTEM与FFT分析?-Fe₂Al₅/Fe和?-Fe₂Al₅/Fe₁₈Al₇₈界面晶体学关系发现：?-Fe₂Al₅/Fe界面晶格失配度仅1.2%，呈现近共格关系，结合力强；而?-Fe₂Al₅/Fe₁₈Al₇₈界面失配度高达32.4%，为非共格界面。这表明裂纹易在?-Fe₂Al₅层内萌生并沿?-Fe₂Al₅/Fe₁₈Al₇₈界面扩展，最终导致混合断裂。

结论与展望

本研究通过多组分中间层设计，实现了铝/钢激光焊接接头微观结构的精细调控与力学性能的显著提升。其核心机制在於：通过多元合金化抑制脆性IMCs，促进纳米晶-非晶复合结构形成；界面晶格匹配分析为理解断裂路径提供了理论依据。该策略工艺兼容性强，为轻量化结构制造提供了可靠方案。未来需进一步评估中间层在厚板焊接、多道焊等复杂工况下的适应性，以推动其工业化应用。